土槽臺(tái)車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告題 目: 土槽臺(tái)車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓 名: 曾浩 學(xué) 院: 工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè): 交通運(yùn)輸 班 級(jí): 交通運(yùn)輸114班 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 魯植雄 職稱(chēng): 教授 2015 年 03 月 01日 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制本課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究概況、應(yīng)用前景等（列出主要參考文獻(xiàn)） 課題意義數(shù)字控制土槽試驗(yàn)臺(tái)車(chē)系統(tǒng)屬于室內(nèi)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采取土槽固定不動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)車(chē)（包括試驗(yàn)裝置、測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)）在土槽軌道上運(yùn)動(dòng)的方式，是農(nóng)業(yè)機(jī)械化教學(xué)、科研的一臺(tái)必備實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)主要由盛裝土壤的土槽（26m2.5m1.5m）、試驗(yàn)臺(tái)車(chē)、數(shù)字控制系統(tǒng)和車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)等組成。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)集成

2、在臺(tái)車(chē)上的計(jì)算機(jī)、總線控制器、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器組、信號(hào)處理裝置、電控裝置以及攝像監(jiān)視裝置、以及相應(yīng)的控制軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)裝置之間通信、實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)、打印等。測(cè)試系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、總線控制器、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器組、信號(hào)處理裝置、以及攝像監(jiān)視裝置、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)裝置之間通信、實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、打印，提供臺(tái)車(chē)的信息，監(jiān)測(cè)臺(tái)車(chē)的工作參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)原理土槽試驗(yàn)臺(tái)車(chē)的測(cè)試系統(tǒng)用于完成各類(lèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)過(guò)程中各種待測(cè)參數(shù)的獲取、數(shù)據(jù)采集、記錄、處理分析及打印過(guò)程。根據(jù)被測(cè)信號(hào)的種類(lèi)和特點(diǎn),采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)速度、力、轉(zhuǎn)矩、位移、脈沖等信號(hào)進(jìn)行采集,并在工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。國(guó)內(nèi)外研究

3、概況及前景從1889年“土槽”概念模型的提出到20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)外土槽試驗(yàn)研究主要集中在農(nóng)田機(jī)械和越野車(chē)輛等領(lǐng)域進(jìn)行。21世紀(jì)初，世界各國(guó)掀起了新一輪行星探測(cè)熱潮。車(chē)輪與松軟土壤相互作用的地面力學(xué)被廣泛應(yīng)用于行星探測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)、仿真分析等諸多方面，是目前深空探測(cè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由于實(shí)車(chē)實(shí)地試驗(yàn)條件不具備，土槽試驗(yàn)是目前研究行星探測(cè)車(chē)輛輪地作用特性唯一有效的試驗(yàn)手段。國(guó)外行星探測(cè)活動(dòng)開(kāi)展較早，土槽試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)成熟，從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始許多單位就相繼開(kāi)發(fā)了具有較高精度的行星探測(cè)專(zhuān)用土槽試驗(yàn)系統(tǒng)，并廣泛開(kāi)展了試驗(yàn)和理論研究。國(guó)內(nèi)行星探測(cè)活動(dòng)相對(duì)滯后，專(zhuān)用土槽試驗(yàn)系統(tǒng)是隨著“嫦

4、娥探月工程”的實(shí)施于最近幾年才逐步建立起來(lái)的，目前公開(kāi)報(bào)道建有深空探測(cè)專(zhuān)用土槽試驗(yàn)系統(tǒng)的只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等三所高校。專(zhuān)用土槽試驗(yàn)系統(tǒng)在行星探測(cè)研究中的應(yīng)用代表了目前土槽試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的最高水平。日本東北大學(xué)土槽試驗(yàn)系統(tǒng)1996年，為了適應(yīng)無(wú)人控制中小型行星探測(cè)車(chē)的研究需要，日本東北(Tohoku)大學(xué)空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(SRL)在日本空間發(fā)展研究所(NASDA)、航空航天實(shí)驗(yàn)室(NAL)和宇航協(xié)會(huì)(ISAS)等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合支持下，開(kāi)發(fā)了輪地相互作用測(cè)試系統(tǒng)嘲(見(jiàn)圖1)。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)單元及數(shù)據(jù)采集傳感器組成，可分別進(jìn)行車(chē)輪前進(jìn)和側(cè)偏力學(xué)性能測(cè)試：通過(guò)在車(chē)輪上

5、安裝應(yīng)力傳感器可進(jìn)行應(yīng)力分布測(cè)量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤參數(shù)的估計(jì)。該實(shí)驗(yàn)室還研制了多種整車(chē)測(cè)試系統(tǒng)，用于整個(gè)探測(cè)車(chē)基于滑轉(zhuǎn)率的控制和動(dòng)力學(xué)研究：不僅可以分析整車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)特性和爬坡性能，還可進(jìn)行整車(chē)轉(zhuǎn)向的力學(xué)性能分析和試驗(yàn)。圖1 日本東北大學(xué)土槽試驗(yàn)系統(tǒng)參考文獻(xiàn)1 田小鋒，姜樂(lè)華，聶曉輝.車(chē)輛地面力學(xué)土槽試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展.長(zhǎng)沙.國(guó)防科技大學(xué)交通運(yùn)輸工程系， 2013.2 于艷12，尚書(shū)旗2，劉曉紅2.基于PLC的農(nóng)機(jī)試驗(yàn)土槽控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1沈陽(yáng).沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院；2山東青島.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，),2011研究的目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題研究目標(biāo)控制系統(tǒng)可靠性高，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制切換靈

6、活，人機(jī)界面交互性好，監(jiān)視傳輸及時(shí)、流暢。測(cè)試系統(tǒng)功能齊全，模塊化、智能化，傳感器靈敏可靠，輸入輸出端口直觀有序。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、迅速，存儲(chǔ)量大，具備斷電保護(hù)功能。土槽試驗(yàn)臺(tái)車(chē)的測(cè)試系統(tǒng)用于完成各類(lèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)過(guò)程中各種待測(cè)參數(shù)的獲取、數(shù)據(jù)采集、記錄、處理分析及打印過(guò)程。根據(jù)被測(cè)信號(hào)的種類(lèi)和特點(diǎn),采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)速度、力、轉(zhuǎn)矩、位移、脈沖等信號(hào)進(jìn)行采集,并在工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。 主要技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目土槽試驗(yàn)臺(tái)車(chē)技術(shù)參數(shù)土槽尺寸（m）長(zhǎng)26、寬2.5、高1.5外型尺寸（m）長(zhǎng)2.5、寬1.8、高0.3軸距（mm）1170輪距（mm）2700牽引電機(jī)功率22 kW（Y180L-4）額定轉(zhuǎn)

7、速1470 r/min臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度0-10 km/h，無(wú)級(jí)調(diào)速動(dòng)力輸出軸功率7.5kW（Y132M-4）動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速1000 r/min, 無(wú)級(jí)調(diào)速液壓提升分置式耕深調(diào)節(jié)方式高度調(diào)節(jié)，位置調(diào)節(jié)，浮動(dòng)控制液壓懸掛機(jī)構(gòu)三點(diǎn)懸掛，2類(lèi)提升能力10kN測(cè)試農(nóng)具深度調(diào)節(jié)范圍-200500 mm研究?jī)?nèi)容農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)土槽控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)主要基于PLC電控系統(tǒng)的編程思路。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，土槽試驗(yàn)控制設(shè)有兩種方式：手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。由于在土槽試驗(yàn)平臺(tái)上試制農(nóng)機(jī)具時(shí)，會(huì)對(duì)某些關(guān)鍵的部件進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，此時(shí)就需要手動(dòng)控制。而對(duì)于臺(tái)車(chē)的軟啟動(dòng)和軟停車(chē)環(huán)節(jié)，手動(dòng)控制就顯得比較繁瑣，且不容易調(diào)節(jié)，此為對(duì)應(yīng)土壤恢復(fù)環(huán)節(jié)，

8、需要多個(gè)環(huán)節(jié)的在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上先后完成。對(duì)于手動(dòng)控制需要的時(shí)間長(zhǎng)，且需要一定的經(jīng)驗(yàn)，因而需要對(duì)土槽試驗(yàn)中的某些環(huán)節(jié)自動(dòng)控制，從而把工作人員從繁瑣的操作中解脫出來(lái)。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題試驗(yàn)臺(tái)車(chē)以PLC為核心，可實(shí)現(xiàn)順序控制、過(guò)程控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)等控制功能。研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析研究方法及技術(shù)路線圖2為臺(tái)車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，首先建立合適的測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)，之后搭建局域CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，最后逐步研發(fā)系統(tǒng)各參數(shù)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，及其數(shù)據(jù)處理程序。圖2 臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案臺(tái)車(chē)在土槽軌道上運(yùn)行，設(shè)置手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種工作方式。工作時(shí)先選擇工作方式，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器改變臺(tái)車(chē)行

9、駛速度。臺(tái)車(chē)初始位置在土槽最右端，土槽左右兩端各設(shè)一個(gè)行程開(kāi)關(guān)。手動(dòng)工作方式設(shè)有前進(jìn)、后退和停止三個(gè)按鈕，運(yùn)行過(guò)程中可隨時(shí)控制臺(tái)車(chē)的運(yùn)行方向。自動(dòng)控制方式，從初始位置開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，臺(tái)車(chē)自動(dòng)前進(jìn)，當(dāng)運(yùn)行到土槽左端時(shí)壓合行程開(kāi)關(guān)，臺(tái)車(chē)自動(dòng)返回，直到回到初始位置停車(chē)，為一個(gè)周期。臺(tái)車(chē)雙向行駛的速度區(qū)間相同（0-10km/h）。PLC控制變頻器調(diào)速，利用編碼器的反饋脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)定位控制。（應(yīng)用實(shí)例解說(shuō)P200）除軟件制動(dòng)外，還需控制磁粉制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)。通過(guò)改變激勵(lì)電流控制制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩，達(dá)到制動(dòng)目的。并且在雙輪試驗(yàn)中，磁粉制動(dòng)器用于模擬阻力加載器。動(dòng)力輸出軸可在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三

10、種狀態(tài)下靈活切換，并通過(guò)變頻器閉環(huán)定位精確控制其轉(zhuǎn)速。液壓裝置臺(tái)車(chē)的前后工作裝置均通過(guò)液壓控制，液壓缸帶動(dòng)懸掛裝置上下移動(dòng)。前后液壓執(zhí)行元件均有提升、下壓和保壓三種工作狀態(tài)。執(zhí)行元件上安裝壓力傳感器，可將實(shí)時(shí)的壓力反饋到操作面板（圖3）上。圖3 操作面板控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，即使出現(xiàn)誤操作，也不應(yīng)有危害人身安全和設(shè)備安全的情況。對(duì)電機(jī)應(yīng)有必要的保護(hù)措施，如過(guò)流、過(guò)載保護(hù)等?？尚行苑治鰢?guó)內(nèi)外很多學(xué)校及科研單位對(duì)土槽臺(tái)車(chē)測(cè)控系統(tǒng)有了相應(yīng)的研究，能夠有很好的借鑒。特色或創(chuàng)新之處試驗(yàn)臺(tái)車(chē)以PLC為核心，可實(shí)現(xiàn)順序控制、過(guò)程控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)等控制功能土槽一端測(cè)控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)

11、、集成有PXI總線控制器的數(shù)據(jù)采集卡、打印、記錄設(shè)備等；試驗(yàn)臺(tái)車(chē)上的傳感器組、信號(hào)處理裝置、以PLC41為核心電控裝置以及攝像監(jiān)視裝置；還有相應(yīng)的控制軟件及分析軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)車(chē)之間通過(guò)PXI總線及轉(zhuǎn)接電纜實(shí)現(xiàn)通信。研究計(jì)劃及預(yù)期進(jìn)展研究計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的程序來(lái)（1） 控制臺(tái)車(chē)的運(yùn)行方式和速度、液壓設(shè)備的通斷和位置以及動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速；（2） 提供臺(tái)車(chē)的信息，監(jiān)測(cè)臺(tái)車(chē)的工作參數(shù)，由嵌入式參數(shù)評(píng)估軟件分析當(dāng)前系統(tǒng)工作參數(shù)的合理性，便于及時(shí)排除故障，避免臺(tái)車(chē)的進(jìn)一步損壞；（3） 根據(jù)試驗(yàn)要求獲取并記錄所掛接的農(nóng)機(jī)具的參數(shù)；以文本文件格式保存數(shù)據(jù)到SD存儲(chǔ)卡中。圍繞上述目的并結(jié)合CAN網(wǎng)絡(luò)通訊以及各類(lèi)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建土槽試驗(yàn)臺(tái)車(chē)的測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為主控操作系統(tǒng)，通過(guò)局域CAN網(wǎng)絡(luò)連接到臺(tái)車(chē)的監(jiān)測(cè)傳感器和所掛接農(nóng)機(jī)具的各類(lèi)傳感器，實(shí)現(xiàn)多工作參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸處理，并通過(guò)人機(jī)對(duì)話界面進(jìn)行顯示和更改。預(yù)期進(jìn)展元月10日前完成開(kāi)題報(bào)告，文獻(xiàn)綜述，查找相應(yīng)論文，對(duì)自己所需研究?jī)?nèi)容有初步的了解；4月5日前完成PLC的學(xué)習(xí)，并且初步的設(shè)計(jì)出程序5月10日前完成所有的工作并撰寫(xiě)出相應(yīng)的論文。已具備的條件、尚缺少的條件和擬解決的途徑（包括利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、科研實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)基地、校外其它企事業(yè)單位